一種氧化石墨烯纖維及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氧化石墨烯纖維及其制備方法，該氧化石墨烯纖維是以粘稠狀的氧化石墨烯作為紡絲液，缺電子化合物的水溶液作為凝固液，通過濕法紡絲技術(shù)制備得到，其中氧化石墨烯片層上的大π鍵和缺電子基團(tuán)形成π?π堆積作用，氧化石墨烯纖維的片層間距離比氧化石墨烯片層間增大；制備方法是：先制備濃縮氧化石墨烯水分散液，再配制缺電子化合物水溶液，最后通過濕法紡絲技術(shù)制備得到氧化石墨烯纖維。本發(fā)明制備方法操作簡單，綠色環(huán)保，成本低廉，并且可以快速大量生產(chǎn)，制備的氧化石墨烯纖維具有良好的抗拉強(qiáng)度和穩(wěn)定性，產(chǎn)品可廣泛的應(yīng)用推廣。
【專利說明】
一種氧化石墨烯纖維及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于氧化石墨烯復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氧化石墨烯纖維及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯中所有碳原子以SP2形式雜化形成六邊形結(jié)構(gòu)單元，同時(shí)每個(gè)碳原子中P軌道的未成鍵電子在整個(gè)體系內(nèi)共軛，形成大JT鍵;這種結(jié)合方式使得石墨烯具有穩(wěn)定的二維晶格結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的力學(xué)性能、類金屬的電傳導(dǎo)能力、強(qiáng)的負(fù)載能力等。正因?yàn)槭┲芯邆浯箧I，可以作為供電子基團(tuán)和缺電子的基團(tuán)形成J1-Ji堆積作用來制備氧化石墨烯纖維。
[0003]為了更好的應(yīng)用石墨烯材料，人們通過不斷的探索來尋找合適的加工方法。人們從穩(wěn)定的石墨出發(fā)通過化學(xué)氧化法使石墨烯片層得以剝離形成氧化石墨烯，且在此過程中石墨烯片層上引入了新的官能團(tuán)羥基、羧酸根、醚鍵等。通過這一氧化過程固態(tài)的石墨變成了氧化石墨烯水溶液，極大的方便了后續(xù)的氧化石墨烯復(fù)合材料的制備。目前氧化石墨烯纖維主要采用的是濕法紡絲的技術(shù)制備，其凝固液也是多種多樣。有利用二價(jià)金屬離子與氧化石墨烯片層上的官能團(tuán)形成二價(jià)金屬離子橋連作用原理制備氧化石墨烯纖維的。有利用堿性溶液如KOH溶液使氧化石墨烯迅速固化來制備氧化石墨烯纖維的。有利用氧化石墨烯片層上的官能團(tuán)與胺類化合物形成共價(jià)鍵來制備氧化石墨烯纖維的。這些方法均未利用氧化石墨烯片層上的大鍵和缺電子的基團(tuán)形成J1-Ji堆積作用來制備氧化石墨烯纖維。
[0004]因此，提出新的原理來制備氧化氧化石墨烯纖維需要更近一步的探索。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種氧化石墨烯纖維及其制備方法，將氧化石墨烯注入到缺電子化合物水溶液中，利用氧化石墨烯片層上的大鍵和缺電子的基團(tuán)形成π-π堆積作用來制備氧化石墨烯纖維。
[0006]本發(fā)明提出的技術(shù)方案是:
一種氧化石墨烯纖維，是以粘稠狀的氧化石墨烯作為紡絲液，缺電子化合物的水溶液作為凝固液，通過濕法紡絲技術(shù)制備得到，其中氧化石墨烯片層上的大η鍵和缺電子基團(tuán)形成π-π堆積作用，氧化石墨烯纖維的片層間距離比氧化石墨烯片層間增大。
[0007]所述的氧化石墨烯纖維的制備方法，包括以下步驟:
步驟I，將氧化石墨烯水分散液加熱到450C?65°C，攪拌濃縮到粘稠狀，得濃縮氧化石墨稀;
步驟2，配制濃度為0.00477mol/L?0.04770mol/L缺電子化合物水溶液；
步驟3，以缺電子化合物水溶液為凝固液，以步驟I得到的濃縮氧化石墨烯作為紡絲液，通過濕法紡絲技術(shù)制備氧化石墨烯纖維。
[0008]作為優(yōu)選，所述步驟I中濃縮氧化石墨稀固含量為IOmg/mL?18mg/mL。
[0009]作為優(yōu)選，所述步驟2中的缺電子化合物為1-丁基-3-甲基咪唑L乳酸鹽。[00?0]作為優(yōu)選，所述步驟3中濕法紡絲技術(shù)中氧化石墨稀的擠出速度為0.3mL/min?0.8mL/min。
[0011]有益效果:
(I)本發(fā)明氧化石墨烯纖維的制備方法，操作簡單，綠色環(huán)保，成本低廉，并且可以快速大量生產(chǎn)，可將此方法廣泛應(yīng)用到氧化石墨烯、石墨烯材料的改性等領(lǐng)域。
[0012](2)本發(fā)明制備的的氧化石墨烯纖維，具有良好的抗拉強(qiáng)度和穩(wěn)定性，產(chǎn)品可廣泛的應(yīng)用推廣。
【附圖說明】
[0013]圖1為實(shí)施例1的氧化石墨烯纖維截面的SEM圖。
[0014]圖2為實(shí)施例1的氧化石墨烯纖維側(cè)面的SEM圖。
[0015]圖3為實(shí)施例1的氧化石墨烯纖維的XRD圖譜。
[0016]圖4為實(shí)施例1中的力學(xué)性能圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面通過具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)介紹，但不局限于此。
[0018]實(shí)施例1
本實(shí)施例以1-丁基-3-甲基咪唑L乳酸鹽的水溶液為凝固液濕法紡絲制備纖維。
[0019]—種氧化石墨烯纖維，是以粘稠狀的氧化石墨烯作為紡絲液，缺電子化合物的水溶液作為凝固液，通過濕法紡絲技術(shù)制備得到，其中氧化石墨烯片層上的大η鍵和缺電子基團(tuán)形成JTi堆積作用，氧化石墨烯纖維的片層間距離比氧化石墨烯片層間增大。
[0020 ]所述的氧化石墨烯纖維的制備方法，包括以下步驟:
步驟I，以300um大小的石墨片層為原料，通過Hummers法制備出氧化石墨稀水分散液，取適量的氧化石墨烯水分散液于燒杯中，將此燒杯置于油浴鍋中在攪拌的情況下45°C濃縮48h，使其固含量達(dá)到10mg/mL，作為紡絲液；
步驟2，取1-丁基-3-甲基咪唑L乳酸鹽50uL于50mL水中配制成濃度為0.00477mol/L的溶液，做為凝固液；
步驟3，利用濕法紡絲技術(shù)以缺電子化合物水溶液為凝固液制備纖維，具體地，用注射器吸入粘稠的氧化石墨烯紡絲液，通過注射器擠出紡絲液，所用針頭的針嘴內(nèi)徑為0.5mm，擠出速度控制為0.3mL/min ；將氧化石墨稀紡絲液注入缺電子化合物水溶液的凝固液中，制備出氧化石墨烯纖維。
[0021 ]下面對制備的產(chǎn)物氧化石墨烯纖維進(jìn)行測試分析。
[0022]如圖1、圖2所示，為實(shí)施例1產(chǎn)物氧化石墨烯纖維的SEM圖，從圖中我們可以看出，氧化石墨烯纖維的片層紋理清晰、均勻;從圖中可以看出氧化石墨烯纖維的直徑為35um，纖維截面顯示石墨烯片層結(jié)合致密且氧化石墨烯片層相互折疊包裹而成，能很清楚的看出是片層-片層的結(jié)構(gòu)。
[0023]如圖3所示，分別做了氧化石墨烯(GO)和氧化石墨烯纖維的XRD圖譜。從圖中可以看出氧化石墨烯的XRD圖譜橫坐標(biāo)在9.7左右，而氧化石墨烯纖維的XRD圖譜橫坐標(biāo)在8.5左右。這說明氧化石墨烯纖維的片層間距離比氧化石墨烯片層間的距離增大了，這是由于氧化石墨烯纖維片層間存在缺電子化合物。缺電子化合物和氧化石墨烯片層的大鍵形成了π-π堆積作用從而形成了氧化石墨烯纖維。
[0024]如圖4所示，對氧化石墨烯纖維進(jìn)行力學(xué)性能測試，從S-S曲線圖中可以看出氧化石墨烯纖維抗拉強(qiáng)度為387MPa。這說明通過31-31堆積作用制備氧化石墨烯纖維的拉力性能不輸其他原理制備的氧化石墨烯纖維。此原理可以廣泛應(yīng)用于氧化石墨烯復(fù)合材料的改良方面。
[0025]實(shí)施例2
本實(shí)施例以1-丁基-3-甲基咪唑L乳酸鹽的水溶液為凝固液濕法紡絲制備纖維。
[0026]—種氧化石墨烯纖維，是以粘稠狀的氧化石墨烯作為紡絲液，缺電子化合物的水溶液作為凝固液，通過濕法紡絲技術(shù)制備得到，其中氧化石墨烯片層上的大η鍵和缺電子基團(tuán)形成JTi堆積作用，氧化石墨烯纖維的片層間距離比氧化石墨烯片層間增大。
[0027 ]所述的氧化石墨烯纖維的制備方法，包括以下步驟:
步驟I，以300um大小的石墨片層為原料，通過Hummers法制備出氧化石墨稀水分散液，取適量的氧化石墨烯水分散液于燒杯中，將此燒杯置于油浴鍋中在攪拌的情況下65°C濃縮48h，使其固含量達(dá)到12mg/mL，作為紡絲液；
步驟2，取1-丁基-3-甲基咪唑L乳酸鹽10uL于50mL水中配制成濃度為0.00954mol/L的溶液，做為凝固液；
步驟3，利用濕法紡絲技術(shù)以缺電子化合物水溶液為凝固液制備纖維，具體地，用注射器吸入粘稠的氧化石墨烯紡絲液，通過注射器擠出紡絲液，所用針頭的針嘴內(nèi)徑為0.5mm，擠出速度控制為0.5mL/min ；將氧化石墨稀紡絲液注入缺電子化合物水溶液的凝固液中，制備出氧化石墨烯纖維。
[0028]下面對制備的產(chǎn)物氧化石墨烯纖維進(jìn)行測試分析，測試結(jié)果與實(shí)施例1類似，不同之處在于實(shí)施例2制備的氧化石墨稀纖維抗拉強(qiáng)度為400MPa。
[0029]實(shí)施例3
本實(shí)施例以1-丁基-3-甲基咪唑L乳酸鹽的水溶液為凝固液濕法紡絲制備纖維。
[0030]—種氧化石墨烯纖維，是以粘稠狀的氧化石墨烯作為紡絲液，缺電子化合物的水溶液作為凝固液，通過濕法紡絲技術(shù)制備得到，其中氧化石墨烯片層上的大η鍵和缺電子基團(tuán)形成JTi堆積作用，氧化石墨烯纖維的片層間距離比氧化石墨烯片層間增大。
[0031 ]所述的氧化石墨烯纖維的制備方法，包括以下步驟:
步驟I，以300um大小的石墨片層為原料，通過Hummers法制備出氧化石墨稀水分散液，取適量的氧化石墨烯水分散液于燒杯中，將此燒杯置于油浴鍋中在攪拌的情況下50°C濃縮48h，使其固含量達(dá)到18mg/mL，作為紡絲液；
步驟2，取1-丁基-3-甲基咪唑L乳酸鹽500uL于50mL水中配制成濃度為0.04770mol/L的溶液，做為凝固液；
步驟3，利用濕法紡絲技術(shù)以缺電子化合物水溶液為凝固液制備纖維，具體地，用注射器吸入粘稠的氧化石墨烯紡絲液，通過注射器擠出紡絲液，所用針頭的針嘴內(nèi)徑為0.5mm，擠出速度控制為0.8mL/min ；將氧化石墨稀紡絲液注入缺電子化合物水溶液的凝固液中，制備出氧化石墨烯纖維。
[0032]下面對制備的產(chǎn)物氧化石墨烯纖維進(jìn)行測試分析，測試結(jié)果與實(shí)施例1類似，不同之處在于實(shí)施例3制備的氧化石墨稀纖維抗拉強(qiáng)度為350MPa。
[0033]顯然，上述實(shí)施例1至3僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種氧化石墨烯纖維，其特征在于，是以粘稠狀的氧化石墨烯作為紡絲液，缺電子化合物的水溶液作為凝固液，通過濕法紡絲技術(shù)制備得到，其中氧化石墨烯片層上的大JT鍵和缺電子基團(tuán)形成JTi堆積作用，氧化石墨烯纖維的片層間距離比氧化石墨烯片層間增大。2.權(quán)利要求1所述的氧化石墨烯纖維的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟I，將氧化石墨烯水分散液加熱到45 0C?65 0C，攪拌濃縮到粘稠狀，得濃縮氧化石墨稀; 步驟2，配制濃度為0.00477mol/L?0.04770mol/L缺電子化合物水溶液； 步驟3，以缺電子化合物水溶液為凝固液，以步驟I得到的濃縮氧化石墨烯作為紡絲液，通過濕法紡絲技術(shù)制備氧化石墨烯纖維。3.根據(jù)權(quán)利要求書2所述的氧化石墨烯纖維的制備方法，其特征在于，所述步驟I中濃縮氧化石墨稀固含量為I Omg/ mL?18mg/ mL。4.根據(jù)權(quán)利要求書2所述的氧化石墨烯纖維的制備方法，其特征在于，所述步驟2中的缺電子化合物為1-丁基-3-甲基咪唑L乳酸鹽。5.根據(jù)權(quán)利要求書2所述的氧化石墨烯纖維的制備方法，其特征在于，所述步驟3中濕法紡絲技術(shù)中氧化石墨稀的擠出速度為0.3mL/min?0.8mL/min。
【文檔編號】D01D5/06GK106087114SQ201610476286
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月27日
【發(fā)明人】閔永剛, 張棟, 馮亞飛, 馬寸亮, 申佳欣
【申請人】南京郵電大學(xué)